— Objavljeno 13/10/2014 / Bug.hr.
Dilatacija vremena jedno je od fascinantnih svojstava svijeta u kojem živimo. No, opaziva je tek pri ekstremnim uvjetima koji su daleko od svakodnevnog iskustva – pri brzinama usporedivim s brzinom svjetlosti. Dilataciju vremena predvidjela je Einsteinova posebna teorija relativnosti, a dosad je potvrđena nebrojeno puta na različite načine. Ovih je dana grupa njemačkih istraživača, u uglednom časopisu Physical Reviw Letters, objavila svoje rezultate vrlo preciznih mjerenja dilatacije vremena s pomoću jako brzih iona litija. Prilika je to da se malo podsjetimo posebne teorije relativnosti, zapitamo treba li potvrđivati već potvrđene teorije i ukažemo na neke tipične zablude o teoriji relativnosti i znanosti općenito.
Nedavni eksperiment s dilatacijom vremena
GSI je istraživački centar, blizu Darmstadta, gdje se već četiri desetljeća provode temeljna i primijenjena istraživanja povezana s teškim ionima. Danas ima nekoliko akceleratora i zapošljava oko tisuću istraživača. Grupa fizičara s GSI-ja nedavno je objavila rezultate testiranja dilatacije vremena koja proizlazi iz Einsteinove posebne teorije relativnosti.
U eksperimentu su, kao satovi, koristišteni ioni litija ubrzani do 33% brzine svjetlosti. Preciznim laserom ioni su pobuđivani u odabrano više energijsko stanje. Pri povratku iz tog višeg u osnovno stanje ion emitira svjetlost dobro poznate frekvencije. Zbog gibanja te su frekvencije smanjene ili povećane ovisno giba li se izvor prema detektoru ili od detektora. Pojava promjene frekvencije zbog relativnog gibanja izvora i opažača poznata je kao Dopplerov učinak. U ovom je slučaju posrijedi relativistički Dopplerov učinak. Eksperiment je dizajniran tako da se frekvencije svjetlosti koju emitiraju ioni litija mogu vrlo precizno mjeriti. Konkretno, matematički izraz za dilataciju vremena iz posebne teorije relativnosti provjeren je do na točnost od jedan u milijardu.
Dilatacija vremena nije ovim eksperimentom potvrđena prvi put. Zašto je eksperiment onda uopće bio rađen? Kao prvo, koliko god puta neka teorija bila potvrđivana, ona nikad nije dokazana. Uvijek je opravdano sumnjati i ponovo provjeravati. No, postoji i drugi, važniji razlog. Svaka teorija ima svoje dosege, opseg vrijednosti fizičkih veličina ili uvjete pod kojima vrijedi. I te dosege je važno znati. Zato se rade precizniji eksperimenti iste vrste – da se eventualno pokuša naći granice teorije.
Teorija relativnosti u par kratkih crta
Postoji opća i posebna teorija relativnosti. Opća je zapravo teorija gravitacije – pojave privlačenja objekata koji imaju masu. Više ću o njoj pisati drugom prilikom. Zasad ističem samo dvije stvari: (1) opća teorija proširuje posebnu tako da uključuje i sustave koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju ubrzano; (2) opća relativnost može imati doprinos u dilataciji vremena.
Posebna teorija relativnosti ujedinila je elektrodinamiku i mehaniku, a svu slavu duguje tome što je iz temelja promijenila naše koncepte protora i vremena. "Posebna" (ili specijalna) je zato što se odnosi samo na referentne sustave koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju jednoliko pravocrtno ("opća" je to razmatranje poopćila i na ubrzane sustave).
Einsteinova posebna teorija relativnosti kreće od dvije pretpostvake: (1) zakoni fizike – misli se na mehaniku i elektrodinamiku – isti su u svim sustavima koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju jednoliko pravocrtno; tu pretpostavku nazivamo načelom relativnosti (otuda naziv teorije), a poznavao ju je još Galileo Galilei; (2) brzina svjetlosti ista je za sve opažače, bez obzira na njihovo gibanje; ta je pretpostavka bila nužna za usklađivanje mehanike s elektrodinamikom.
Premda je u doba formuliranja posebne relativnosti ta druga pretpostavka već imala eksperimentalne potvrde (kroz slavni Michelson–Morleyjev eksperiment), Einstein se nije pozivao na eksperimentalne rezultate nego je pretpostavku izveo iz temeljnih razmatranja fizike.
Posljedice posebne relativnosti sve su redom fascinantne: tromost tijela raste s brzinom, ekvivalentnost mase i energije (poznata kroz formulu E = mc2), brzina svjetlosti je najveća moguća brzina, relativnost istodobnosti (ono što je istodobno u jednom sustavu nije istodobno u drugom sustavu koji se u odnosu na njega giba), kontrakcija duljinje i dilatacija vremena.
Što je zapravo dilatacija vremena?
Dilatacija ili rastezanje vremena znači da opažač iz jednog sustava vidi da sat u drugom sustavu ide sporije, ako se jedan sustav giba stalnom brzinom u odnosu na drugi sustav. Ako jedan sustav miruje u odnosu na drugi sustav, onda oba opažača vide da njihov sat i sat onoga drugoga idu isto. Što se jedan sustav giba brže u odnosu na drugi sustav rastezanje vremena je sve izražajnije.
Pojava je daleko od linearne. Pri brzinama koje su male u odnosu na brzinu svjetlosti rastezanje vremena je nemjerljivo malo. Ali kad se relativna brzina počne približavati brzini svjetlosti, dilatacija vremena naglo postaje sve veća i veća. Recimo da se netko od nas udaljava brzinom 298290 km/s (što je 95,5 % brzine svjetlosti u vakuumu). Mi bismo opazili da je na njegovom satu prošla samo 1 sekunda dok je na našem prošlo 10 sekundi. Vidjeli bismo da njegov sat ide deset puta sporije. Ali, iz njegove se perspektive mi gibamo brzinom 298290 km/s pa on vidi da naš sat ide 10 puta sporije.
Krive percepcije relativnosti i znanosti općenito
Rasprava potaknuta mojim prethodnim tekstom, o tamnoj tvari, skrenula je u jednom času na temeljna pitanja prostora i vremena – što je izvrsno. I pokazala da pojedinci ne razumiju osnovne ideje posebne teorije relativnosti – što nije za zamjeriti; zato sam napisao ovaj tekst o dilataciji vremena. No, pokazala je i potpuno krivu percepciju funkcioniranja prirodnih znanosti – što se meni osobno čini vrlo zabrinjavajućim. Evo jednog citata iz te rasprave: "Osobno mi je apsurd gledanja na vrijeme kao nešto relativno... Smatram da je [Einstein] napravio grešku kad je postavio brzinu svjetlosti kao apsolutno..."
Kao prvo, to što je nama osobno nešto apsurdno ne znači za znanost baš ništa. Znanost (mislim na prirodne znanosti, ali skraćeno pišem samo znanost) se ne temelji na subjektivnom doživljaju stvarnosti nego, naprotiv, isključivo na objektivnom, na činjenicama, na onome što stvarno postoji neovisno o našem mišljenju. Gotovo je sva moderna fizika apsurdna, a pogotovo teorija relativnosti i kvantna mehanika. Apsurdno znači "ono što se protivi zaključivanju po zdravom razumu", a zdrav razum (engl. common sense) je definiran svakodnevnim iskustvom. A svijet velikih brzina, koji opisuje teorija relativnosti, i svijet malih dimenzija, koji opisuje kvantna mehanika, su daleko, daleko izvan svakodnevnog iskustva pa stoga i daleko od zdravog razuma. Drugim riječima: da, apsurdni su.
Nadalje, svi mi imamo pravo smatrati da je Einstein, ili bilo tko drugi, pogriješio. Znanstvenicima je, štoviše, to i obveza ne samo pravo. No, potpuno je smiješno tako nešto tvrditi na temelju svojeg osjećaja za apsurdno. To možemo tvrditi jedino ako imamo drugu, bolju teoriju koju je moguće testirati ili pak pouzdane eksperimentalne podatke koji pokazuju da je stara teorija pogrešna.
I na kraju, nije naravno Einstein "postavio brzinu svjetlosti" ovakvom ili onakvom. Priroda je takva kakva je, sviđalo se to nama ili ne. Einsteinova posebna teorija je – kao i SVAKA teorija u fizici – jedan model koji ima svoje pretpostavke i svoje posljedice. Jedna od pretpostavki posebne relativnosti je ta da je za svakoga opažača brzina svjetlosti ISTA, bez obzira kojom se brzinom jednoliko pravocrtno gibao. Jedna od posljedica posebne relativnosti je da je brzina svjetlosti u vakuumu gornja granica brzine objekata, ili širenja signala, u prostoru. I sad dolazi najvažniji dio: cijela bi ta priča bila samo trla-baba-lan da se ne može eksperimentalno provjeriti. Ali se može. I provjereno je. I nebrojeno puta potvrđeno. A teorije koje su jako dobro potvrđene od milja nazivamo zakonima. Protiv društvenih se zakona (ako ih smatramo nepravednima) možemo (i moramo) buniti. Buniti se protiv prirodnih zakona je još smješnije nego plesom prizivati kišu.